斜拉橋橋塔有限元分析

謝上飛

(湖南省交通科學研究院,湖南長沙 410015)

0 引言

斜拉橋因其結構合理、外形美觀、造價低、施工方便等突出的優點而成為世界上廣泛采用的橋型[1]。橋塔是斜拉橋的重要組成部分,既要承受恒載和活載產生的巨大軸向力和彎矩,又要承受溫度變化、支座沉降位移、風荷載、地震力、混凝土收縮、徐變帶來的次內力的影響,其受力較為復雜。采用合理的有限元模型對橋塔進行仿真分析是重要的研究課題。

本文采用ANSYS程序,分別采用實體單元和梁單元建立了某大跨斜拉橋主塔的有限元模型[2],并分別對兩種模型進行了模態分析和時程分析,通過對計算結果的分析,比較了兩種模型各自的優缺點。圖1給出了主塔的結構細部圖。

圖1 主塔結構細部圖(單位:mm)

1 有限元模型的建立

為了比較兩種單元建模的差異,本文分別采用梁單元和實體單元建模[3]。

1.1 梁單元模型

模型單元采用BEAM188單元。BEAM188單元是建立在Timoshenko梁分析理論基礎上的,計入了剪切效應和大變形效應,故可以考慮剪切變形和翹曲,同時也支持大轉動和大應變等非線性,而且可以直接顯示梁截面上的應力和變形,適合于從細長到中等粗短的梁結構。與其他的梁單元相比,BEAM188有更強的非線性分析能力,而且有強大的橫截面定義功能,能夠自由定義各種截面。采用BEAM188單元模擬橋塔時,首先利用其強大的橫截面定義功能預先定義塔的各部分截面,然后再將其分配給塔的各部分。圖2—a給出了ANSYS建立的梁單元模型,模型中共有節點200個,單元199個。

1.2 實體單元模型

模型單元采用SOLID65單元。SOLID65單元是ANSYS中專門為混凝土建立的單元,可以考慮混凝土在復雜受力狀態下的變形情況。使用SOLID65單元建立實體模型中,首先建立相應的幾何模型,然后對幾何模型進行網格劃分。需要注意的是,由于塔是變截面的結構,為了使力能順利傳遞,需要在變截面處施加接觸面單元。圖2—b給出了ANSYS建立的實體單元模型,模型中共有14 919個節點,12 671個單元。與梁單元模型相比,節點數和單元數都大幅度提高。

圖2 兩種不同單元有限元模型

2 模態分析

為了比較采用兩種單元建立的有限元結構模型的動力學性能,本文分別計算了兩種模型對應的結構的前6階自振頻率。自振頻率計算結果見圖3。

圖3 兩種不同單元有限元模型模態分析結果對比

續圖3 兩種不同單元有限元模型模態分析結果對比

模態分析結果表明,兩種單元建立的有限元分析模型其模態分析結果相差均不大,相差最大的為第一階模態,誤差為2.1%,滿足工程精度要求。同時可以看出,采用實體模型比采用梁單元模型可以更直觀地反映結構的真實變形,特別是高階扭轉模態,如果采用梁單元模型無法直觀地反映其變形情況,而實體單元模型不存在此問題。

3 地震響應分析

3.1 地震時程分析

為了更好地對比兩種有限元結構模型在地震作用下的反應,分別采用時程分析法對兩種有限元模型進行計算。計算地震波采用日本阪神地震波(南北向),計算時采用加速度峰值附近15 s的地震記錄進行計算,并按7度小震進行調幅[4],地震記錄時間間隔0.02 s。地震波記錄見圖4。圖5給出了兩種模型的頂點位移響應曲線和加速度響應曲線。

3.2 地震響應結果分析

由時程曲線可以看出,兩種單元模型的頂點位移時程曲線和加速度時程曲線基本重合,表明采用梁單元模擬橋塔是可行的。從計算過程來看,采用梁單元模型,計算KOBE波耗時大概5min,而采用

4 體會和結語

在常見的隧道拱頂塌方處治中,從安全方面考慮,切不可冒然清理掉塌體下部的堆積體。此堆積體在大多數情況下,能起到暫時穩定掌子面或拱頂上部的塌體,能防止拱頂塌方的進一步發展。從結構安全和使用壽命方面來看,塌方部位需回填密實。利用塌體下部的堆積體作為底模,進行頂部塌腔體的注漿或泵送混凝土進行回填,不僅安全,且經濟,只需回填部分預埋鋼管和一些混凝土或水泥砂漿材料,無需打設大量錨桿、架設鋼拱架等。此類塌方處治思路和方法,安全、經濟,易于操作,值得推廣應用。

[1]JTG D 70-2004,公路隧道設計規范[S].

[2]JTG F60-2009,公路隧道施工技術規范[S].

[3]崔永杰.順層偏壓隧道災害處理及施工技術[J].現代隧道技術,2009(5).

[4]蔣正華.隧道洞口地形偏壓段的新型設計與施工方法[J].公路工程,2010(2).